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极端干旱区泡泡刺群落土壤呼吸对增雨的响应

刘殿君  
【摘要】:土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的主要组成部分,在气候变暖与全球碳循环之间的相互作用中处于一个非常关键的过程,为了评价全球气候变化预测中的不确定性,需要迫切了解土壤呼吸对全球变暖的响应。作为全球气候变化的的主要特征之一,降雨格局的改变势必会引起生态系统碳循环的改变,而干旱地区广阔的面积以及对水分极度敏感的特征使得降雨对该地区的生态系统碳循环的影响更为突出。已有研究预测未来我国温带干旱区降雨有增加的趋势,为估算降雨增加对旱地生态系统碳通量的影响,我们以甘肃省敦煌市(年均降雨量40mm)极端干旱区的典型植被群落泡泡刺为研究对象,通过设置模拟增雨控制实验,并在生长季观测增雨前后的土壤呼吸速率、土壤含水量以及土壤温度等因子,探讨了未来降雨增加的背景下,旱地生态系统土壤呼吸的趋势和变化规律。本研究取得了以下主要结果和结论: (1)增雨显著增加了灌丛和裸地的土壤呼吸;且增雨越多,增量越大,对土壤呼吸影响的持续时间也越长;增雨16mm和24mm分别使裸地土壤呼吸速率显著增加90%和106%(P0.01),增雨8mm、16mm和24mm则分别使灌丛土壤呼吸速率显著增加68%、157%和205%(P0.01);裸地和灌丛土壤呼吸对增雨响应的时间不同步且灌丛土壤呼吸对增雨的响应量比裸地高118%。每增雨1mm,裸地和灌丛土壤呼吸速率分别增加0.01μmol·m~(-2)·s~(-1)和0.04μmol·m~(-2)·s~(-1)。 (2)增雨条件下,土壤呼吸在季节尺度上与0~10cm土壤含水量有明显的正相关性(P0.01),与0~10cm土壤温度没有明显的相关性(P0.05)。土壤含水量、土壤温度与土壤呼吸的相互作用关系表明,当土壤含水量较小时,土壤呼吸速率随土壤温度的增加而保持不变,当土壤含水量较大时,土壤呼吸速率随土壤温度的增加而增加;当温度不变时,土壤呼吸速率随土壤含水量的增加而增加。表明未来降雨增加的情形下,相对于0~10cm土壤温度来说,0~10cm土壤含水量将是影响极端干旱区土壤呼吸在季节尺度上的最主要限制因子。 (3)在主要生长季内(5月-9月),裸地和灌丛下,对照样地以及各增雨处理样地的土壤呼吸速率均呈现出明显的单峰变化曲线。裸地的基础呼吸随着降雨量的升高没有显著变化,但降雨增加引起了灌丛下基础呼吸的升高。增雨明显提高了裸地土壤呼吸的温度敏感性(P0.05),但对灌丛土壤呼吸的温度敏感性没有明显的影响(P0.05);与对照相比,增雨16mm时,裸地土壤呼吸的温度敏感性有显著性差异,表明增雨16mm时,裸地呼吸的温度敏感性有显著性提高,但对灌丛土壤呼吸的温度敏感性无明显影响。 (4)增雨50%(4mm)~300%(24mm)能够加速裸地和灌丛土壤的碳排放,每增雨1mm,裸地和灌丛土壤的碳排放量分别增加0.27和1.12g·m~(-2)。当泡泡刺群落盖度一定时,与对照相比,每增加1mm降雨,泡泡刺群落土壤碳排放量增加0.69g·m~(-2)。表明在未来降雨增加情形下极端干旱区的土壤碳排放量将会增大,而且增雨对灌丛下的土壤碳排放具有更显著的影响。 (5)在月时间尺度上(7月份),多次小降雨事件对土壤呼吸的激发作用明显高于一次较大的降雨事件,即反复的干湿交替过程更能激发裸地的土壤呼吸。增雨总量相同的情况下,裸地4×4mm和2×8mm降雨处理的土壤呼吸速率平均值显著高于1×16mm降雨处理(P0.05)),但在灌丛下并不明显(P0.05)。在裸地和灌丛下,降雨间隔时间延长没有明显提高或降低土壤呼吸速率变化(P0.05)。


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